다이아몬드 반도체, 실용화가 코앞으로 다가왔다
인터뷰 14
카스 마코토 교수
전기전자공학과
사가 대학교
다이아몬드 반도체는 전력 반도체 및 고주파 소자로 주목을 받아 왔습니다. 최근 들어 다이아몬드 반도체가 기초 연구를 넘어 실용화 단계로 접어들고 있음을 보여주는 움직임이 나타나고 있습니다. 사가대학교의 마코토 카스 교수는 다이아몬드 반도체의 실용화 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 연구와 실용화 프로젝트에 대한 그의 이야기를 들어보았습니다.
EV와 "Beyond 5G"에 대응하는 반도체
카수 교수의 다이아몬드 반도체에 대한 연구는 주변 사람들의 관심을 끌기 시작했습니다.
그는 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)와 국립공업대학(KOSEN) 구레대학과 함께 우주 통신용 마이크로파 전력 증폭 장치 개발을 시작할 것이라고 처음 발표했습니다(2023년 2025월). 목표는 이 장치를 초소형 위성에 장착하여 우주에서 추가 시연을 하는 것이었습니다. 발표 2026년 후, 그는 CTC(이토추 테크노 솔루션즈 주식회사)와 다이아몬드 반도체의 사회적 실용화를 위한 연구에 협력하기 시작했습니다(XNUMX년 XNUMX월). 또한, 가스 교수는 이러한 움직임을 가속화하기 위해 "다이아몬드 세미컨덕터"라는 새로운 회사를 설립할 계획이며, XNUMX 회계연도 안에 이 새로운 회사에서 다이아몬드 반도체 샘플을 출하할 계획입니다.
다이아몬드 반도체는 실리콘(Si)을 훨씬 뛰어넘는 다양한 잠재력을 가지고 있어 실리콘이 적합하지 않은 분야에서의 활용이 기대되어 주목을 받고 있습니다.
예를 들어, 전기 자동차(EV)와 같이 전기를 제어하는 전력 반도체에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 하지만 이러한 전력 반도체에는 높은 절연 파괴 강도와 캐리어(자유 전자 또는 정공)가 존재하는 영역에서 전류를 쉽게 전도할 수 있는 능력이 필수적입니다.
다이아몬드 반도체의 절연 파괴 강도는 실리콘 반도체의 33배이며, 캐리어가 있는 곳에서 큰 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 전력 반도체 성능을 나타내는 지수(발리가(Baliga)의 성능 지수)에서 다이아몬드 반도체는 실리콘뿐 아니라 차세대 전력 반도체인 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)보다 높은 값을 보입니다.
| Si | SiC | GaN | 다이아몬드 | 다이아몬드 반도체의 특징 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 밴드 갭 | 1 | 2.9 | 3.0 | 4.9 | 5배 더 높은 온도에서 작동합니다 |
| 유전 파괴 강도 | 1 | 9.3 | 16.6 | 33 | 33배 더 높은 전압에서 작동합니다. |
| 열전도율 | 1 | 3.8 | 1.2 | 17 | 열 방출이 17배 더 쉽습니다. 온도 상승도 없습니다. |
| 발리가의 공로자: (BFOM) | 1 | 580 | 3,800 | 49,000 | 50,000만배 높은 전력으로 고효율 소자 특성 구현 |
| 존슨의 공로 수치: (JFOM) | 1 | 420 | 1,100 | 1,225 | 6G에 대한 1,200배의 전력을 가진 고속 전력소자 특성. |
다이아몬드 반도체의 물리적 특성 (재료 제공: Kasu 교수)
또한, 고주파 소자의 적합성을 나타내는 지수(존슨 성능 지수)도 높아 "Beyond 5G(*1)"의 모바일 기반에서의 활용이 기대됩니다. 다이아몬드 반도체는 방사선에 대한 내성이 뛰어나 우주 환경에서의 통신에 활용될 가능성이 매우 높습니다.
다이아몬드 반도체 연구는 1980년대 초에 시작되어 비교적 새로운 분야입니다. 일본에서 다이아몬드 박막 에피택셜 성장(*2)이 성공하면서 다이아몬드 반도체 연구가 활발해졌습니다.
이 기술은 메탄과 수소라는 원료 가스를 플라즈마 상태에서 반응시키는 MPCVD(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)로 구현되었습니다. 과거에는 천연 다이아몬드의 성장을 모사하는 것처럼 고전압(약 50,000만 기압)을 가하여 인공 다이아몬드를 제작했습니다. 그러나 이제는 저압(예: 0.1 기압)으로도 제작이 가능합니다. 당시 국립무기재료연구소(현 NIMS: National Institute for Materials Science)가 이 방법을 발견하고 발표했습니다. 이후 일본 국내외의 많은 연구자들이 다이아몬드 연구를 시작했습니다.
*1 6세대 이동통신 시스템의 성능을 더욱 향상시키는 차세대(5G) 정보통신 인프라. 2030년경부터 실용화가 시작될 것으로 예상됩니다.
*2 단결정 기판에 새로운 단결정 박막을 성장시키는 기술. 기판 결정과 성장될 결정의 격자 상수가 같을 때를 호모에피택셜 성장이라고 하고, 격자 상수가 다를 때를 헤테로에피택셜 성장이라고 합니다. 다이아몬드 반도체에서는 헤테로에피택셜 성장이 거의 항상 사용됩니다.
아침과 저녁에만 전기가 흐르는 장치
NTT 기초연구소에서 다이아몬드 반도체 연구를 시작했던 가스 교수는 한 가지 의문을 품었습니다. MPCVD(*3)로 성장시킨 다이아몬드 박막을 공기 중에 두면 전기가 통하는 경우가 있다는 것입니다. 하지만 그 이유는 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 여러 가지 설이 있었습니다. "물과 이산화탄소(공기 중)가 원인"이라는 설은 유명 해외 학술지에 게재되기도 했습니다. 그런데 가스 교수가 박막을 물에 담그거나 입김을 불어도 예상대로 전기가 통하지 않았습니다. 그 원인은 무엇일까요?
"제가 직접 확인해 봐야겠어요." 카수 교수는 이를 염두에 두고 질소(N) 등 공기 중에 존재하는 다양한 기체를 실험했습니다.2), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 그리고 아르곤(Ar)도 있습니다. 하지만 이 중 어느 것도 전기를 전도하지 않습니다.
어느 날, 그는 측정값에서 이상한 점을 발견했습니다. 전기 연결 상태를 확인하기 위해 다이아몬드에 전압을 인가하고 일주일 넘게 그대로 두었습니다. 그러다가 오전 9시와 오후 5시경에 큰 전류가 흐르는 것을 발견했습니다. 평일에는 항상 오전 9시와 오후 5시였습니다. 토요일과 일요일에는 전기가 흐르지 않았습니다. 도대체 무슨 일이 벌어지고 있는 걸까요?
오후 3시. 연구실 옆에 마련된 차 시간이었다. 다른 부서의 연구원들이 차와 커피를 들고 하나둘씩 모였다. 그는 "9시부터 5시까지의 현상"이라는 주제를 꺼냈다. 그는 모두가 뭐라고 대답할지 궁금했다. "이산화질소(NO)일까?"2)?" 화학과의 한 여성이 제안했습니다.
아니2 자동차 배기가스에 포함된 기체입니다. 따라서 통근 시간에 농도가 증가합니다. 이러한 변화는 다이아몬드 전류의 변화와 유사하다는 점이 지적되었습니다. 만약 통근하는 자동차가 원인이라면, 토요일과 일요일에는 전류가 흐르지 않는다는 사실과도 일치합니다. 그는 즉시 NO를 생성하는 장치를 빌렸습니다.2 그리고 그것을 측정하는 장치를 만들어 실험을 했습니다. 아니나 다를까, 전류가 흘렀습니다.
그 후 그는 다른 가스도 동일한 효과를 낼 수 있는지 조사했고 오존(O3), 황화물 산화물(SO2), 그리고 일산화질소(NO)(*4)도 전기를 전도했습니다. 이러한 기체는 표면에 부착되어 전자가 수소 말단에서 기체 분자로 이동하여 다이아몬드 표면에 캐리어를 생성하는 것으로 여겨집니다. 그는 또한 기체의 종류와 농도가 변할 때 캐리어 밀도가 어떻게 변하는지 확인하기 위한 또 다른 실험을 수행했습니다.
*3 정확히 말하면, 메탄이 고갈된 상태에서도 수소 플라즈마 분위기에 약 30분간 노출되어 표면에 수소 결합을 형성한 다이아몬드 박막입니다. 이를 수소 말단 다이아몬드라고 합니다.
*4 O 이외의 가스3 자동차 배기가스에 포함되는 물질입니다. O3 배기가스 중 NOx와 HC가 햇빛의 자외선을 받아 광화학 반응을 일으켜 생성됩니다. 즉, 네 가지 가스 모두 자동차 배기가스에서 발생하는 것으로 나타났습니다.
앞서 언급했듯이 반도체 소자가 작동하려면 캐리어가 존재해야 합니다. 현재 다이아몬드 반도체에서 캐리어를 생성하는 기본적인 방법은 종단 공정(수소와 같은 다른 원자를 다이아몬드 박막 표면에 결합시키는 공정)입니다. 특히 수소를 이용한 종단 공정은 실제 적용에 가장 적합한 방법으로 알려져 있습니다. 이는 다이아몬드에서만 가능한 독특한 캐리어 생성 방법으로, 다른 반도체에서는 사용되지 않습니다.
"공기에 노출되었을 때 전기가 통하는 이유는 무엇일까?" 카수 교수가 연구를 시작할 당시 품었던 의문에 답함으로써, 그는 캐리어를 효과적으로 유도할 수 있는 무기 분자의 종류와 농도와 같은 데이터를 밝혀낼 수 있었습니다. 이러한 발견은 실용화에 유용한 기술로 자리 잡았습니다.
세계 최고 전기 및 전압 기록
2021년경부터 실용화를 위한 연구 성과가 눈에 띄게 증가하기 시작했습니다. 먼저, 그는 새로운 구조의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 발명했습니다. 열화가 거의 발생하지 않는 메커니즘을 구현함으로써 소자의 수명을 연장했습니다. 또한, 179MW/cm²라는 최고 수준의 출력 전력을 달성했습니다.2 (2021년 2월 기준). 345개월 후, 이 기록은 갱신되었습니다. 웨이퍼 직경은 XNUMX인치로, 출력 전력은 XNUMXMW/cm²로 증가했습니다.2. (2021년 XNUMX월 기준).
다음 해에 다이아몬드 반도체는 875MW/cm의 출력 전력을 달성했습니다.2, 출력 전압 2586V(2022년 5월 기준). 이 값은 다이아몬드에서 세계 최고 기록입니다(*2023). 카수 교수의 논문은 IEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)의 저널 "Electron Device Letters"에 게재되었으며, 최신 주제 논문으로 XNUMX면을 차지했습니다. 또한, 이 연구 결과를 평가받아 다이아몬드 반도체는 "XNUMX년 올해의 반도체"(Sangyo Times Inc.의 "Electronic Device Industry News") 반도체 소자 부문 우수상에 선정되었습니다.
2023년, 그는 다이아몬드 반도체를 내장한 전력 회로의 동작 검증을 수행했습니다. 스위칭 동작은 10ns 미만으로 매우 빨라 동적 특성에 문제가 없음을 보여주었습니다(2023년 190월). 연속 동작 시험도 수행했습니다. XNUMX시간 연속 동작 후에도 특성 저하가 발생하지 않았습니다. 이러한 실용화를 향한 노력은 인터뷰 서두에서 언급했듯이 주변 사람들을 참여시키는 계기가 되었을 것입니다.
*5 이 기록은 2025년 XNUMX월 현재까지 세계 최고 기록으로 남아 있습니다.
전자빔 리소그래피 시스템과 주사전자현미경의 도입으로 집적회로 개발에 박차
2024년 XNUMX월, 카수 교수는 고가의 장비인 전자빔 리소그래피 시스템을 선보였습니다. 이는 당연히 집적 회로(IC) 개발을 위한 것입니다. 그의 다이아몬드 연구는 IC 개발을 위한 단계로 접어들었습니다. 구체적으로, 서두에서 언급했듯이 우주 통신용 마이크로파 증폭 장치의 개발을 가정하고 있습니다.
그가 구입한 전자빔 리소그래피 시스템은 JEOL Ltd.의 "JBX-8100FS"였습니다. 다른 제조업체에서도 더 저렴한 제품을 제안받았지만, 가스 교수는 "장비를 구매하는 것은 기술을 구매하는 것"이라고 생각하여 그 제안을 거절했습니다. 전자빔 리소그래피 시스템은 작동 방식에 익숙하지 않은 연구자들이 사용하게 될 것입니다. 이해하기 쉬운 작동 방식, 신뢰성, 그리고 우수한 기술 지원을 갖춘 제품 없이는 신속한 개발은 불가능합니다. 그의 연구 파트너인 JAXA(일본 우주항공연구개발기구) 또한 예산의 대부분을 전자빔 리소그래피 시스템에 할당하는 데 기꺼이 동의했습니다.
같은 해 800월, 그는 JEOL의 또 다른 장비인 쇼트키 전계 방출 주사 전자 현미경 "JSM-ITXNUMX(i)"을 선보였습니다. 이 현미경은 반도체 소자의 내부 구조, 특히 그 구성 성분을 확인하는 데 사용될 예정이었습니다.
JBX-8100FS를 사용하여 제작된 마이크로파용 트랜지스터가 2025년 JASP(일본 응용물리학회) 춘계 학술대회(14년 2025월 17일 금요일부터 2025년 800월 XNUMX일 월요일, 도쿄이과대학교 노다 캠퍼스)에서 발표되었습니다. 게시된 이미지는 JSM-ITXNUMX(i)을 사용하여 촬영한 것입니다.
실제로 다이아몬드 반도체의 실용화를 추진해 온 것은 사가대학교뿐만이 아닙니다. 일본에서만 여러 벤처 기업이 참여하고 있습니다. 따라서 "속도감 있게 연구를 진행하고 싶습니다"(카스 교수). 카스 교수는 다이아몬드 반도체가 일본 사가현에서 탄생한 산업으로 발전할 수 있도록 사명감을 가지고 이 프로젝트를 추진하고자 합니다.
현재 사회에서 가장 주목을 받고 있는 분야는 JAXA와 구레 대학이 공동으로 추진하고 있는 우주 통신용 마이크로파 전력 증폭 장치 개발입니다. 이 프로젝트는 5 회계연도부터 2023년간 진행될 예정입니다. 프로젝트가 완료되는 2028 회계연도 말까지 장치가 완성될 예정입니다. 결과는 신문 등을 통해 보도될 예정입니다. 그때까지 JEOL Instruments and Technology는 계속해서 기여할 것입니다.
마코토 카스
사가대학교 전기전자공학과
1990년 일본전신전화(NTC)에 입사하여 기초 연구실에 소속되었습니다. 연구 활동을 하는 동안 일본, 독일, 프랑스의 대학, JAXA(일본항공우주연구개발기구) 우주과학연구소에서 강사 및 연구원으로 활동했습니다.
2011년 사가대학교 대학원 교수.
( https://www.sao.saga-u.ac.jp/admission_center/ouensite/research/01/ )
게시일: 2025년 XNUMX월